哥本哈根大學和哥本哈根的微軟量子實驗室的研究人員最近進行了一項研究，研究馬約拉納零模式（Majorana zero modes），零能量準粒子態的潛力，這種態可以在超導混合納米線中找到，以此來保護量子數據。研究人員觀察了在馬約拉納納米線中零模式的光子輔助隧穿，提供了新的見解，可以為更好地理解這些準粒子狀態鋪平道路。他們的這一最新研究成果，題為「馬裡亞納導線中零模式的光子輔助隧穿」的論文發表在最近的《自然物理學》上。
該研究論文主導、查爾斯·馬庫斯（Charles Marcus）教授說：「我們的長期目標是為量子計算應用開發保護和控制量子信息的方法。」 「一個有趣的途徑是使用馬約拉納零模式在物理級別提供保護，而不是在電路級別使用冗餘和糾錯來提供保護。」
在物理層面上，馬約拉納零模式會掩蓋特定信息，更確切地說，是在給定的拓撲超導體內是否存在非局部電子或不存在過量電子。不能使用用於收集本地測量值的工具來公開此信息。
從理論上講，使用馬約拉納零模式來保護量子數據應該是簡單和直接。然而，到目前為止，卻很難實現，因為它需要大量的努力，包括開發讀出零能量狀態的方法以及首先可以達到這些狀態的混合材料的設計。
馬庫斯說，「我們在2016年撰寫的一篇理論論文中提出了實現此概念的許多具體的早期步驟，但要使所提議的系統的子組件正常工作也具有挑戰性，」 「關鍵組件是拓撲超導結，在該拓撲結中可以使用電脈衝來耦合和解耦馬約拉納模式。我們最近的實驗旨在測試一個特定組件：可以控制跨結的馬約拉納模式耦合的位置。」
光子輔助隧穿是一種技術，可用於使用能量匹配差異的光子來「連接」總能量不相等的量子態。在該實驗中，量子態的總能量取決於在離散零能態下過量電子的存在。
這種作用最終使研究人員能夠發現平均電荷佔用的差異。由於光子的頻率是可以控制的能量，因此它們可以推斷出量子態之間的能量差，並最終將其轉換為耦合強度。
馬庫斯說，「在超導和自旋量子比特設備的早期，光子輔助隧穿通常被用作一種映射量子比特狀態之間能量差的技術，」 「最小能量差是由相干交換耦合的能量來定義的。基於這項較早的工作，我們開始使用光子輔助隧穿作為一種工具來識別和表徵不同對的馬約拉納費米子之間的相干耦合。」
研究人員使用的方法非常簡單。它需要測量承載馬約拉納零模式的雙島結構的平均電荷佔用，同時將微波音施加到主要耦合到該結構的一個島的幾乎金屬結構上。
為了使他們的技術發揮作用，研究人員必須開發合適的拓撲超導雙島結構和一個稱為RF SET電荷傳感器，然後將其引入InAs / AI納米線中，將其放置在可以施加微波的基板上。此外，他們必須仔細調整所有設備的旋鈕，並確定一個擴展的範圍，在該範圍內，滿足馬約拉納零模式的光子輔助隧穿所需的所有條件。
最終，他們在實驗中使用的材料和方法使研究人員能夠在有限的磁場下觀察光子輔助的隧穿信號，從而在兩個島中產生周期性。
馬庫斯說：「我們研究中最值得注意的方面在於，本文提出的不同測量和觀察結果之間的內部一致性，以及我們相同研究領域中其他人的其他工作。」 「我們的每一個測量值都獨立地表明兩個島上零能量的離散狀態的存在，這與馬約拉納零模式一致。內部一致性暗示我們的解釋是正確的。」
研究人員指出，也可以以類似於馬約拉納零模式的方式來構造以零能量出現的其他費米子態。因此，他們的結果以及其他團隊過去收集的類似結果應被視為解釋而非事實。
馬庫斯說：「哪種解釋最合理尚有爭議，這是由不同小組收集的各種結果推動的。」 「我們顯示的是，在高磁場下，導線中存在零能量狀態的離散狀態（恰好是馬約拉納半島所在的位置），並且通過調整結，我們可以耦合和解耦這些零能量模式，並測量它們的耦合強度。」
該研究提供了新的觀察結果，這些觀察結果可以添加到過去十年左右的時間裡，由不同的研究團隊收集的與馬約拉納線中零模相關的發現中。將來，他們的工作可以作為新研究的基礎，以研究這些狀態在增強量子技術安全性方面的潛力。
除了使用不同的材料重複實驗之外，研究人員還計劃進行結合多結點系統的研究。實際上，過去的研究證據表明，具有多個結的系統可以創建更複雜和有趣的設備。
馬庫斯表示：「這一研究將使我們能夠迅速而肯定地區分可以隱藏量子信息的零模式和不能隱藏量子信息的零模式。」 「馬約拉納零模式的編織證明，零能態具有信息保護所需的關鍵特性。」
參考：Photon-assisted tunnelling of zero modes in a Majorana wire. Nature Physics. 2020